Uma Abordagem Sobre o WRAN - IEEE

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1 Uma Abordagem Sobre o WRAN - IEEE Hermano Pereira 1, Roberson Araujo 2 1 Companhia de Informática do Paraná - CELEPAR Curitiba PR Brasil 2 Instituto de Tecnologia do Paraná - TECPAR Curitiba PR Brasil Resumo. As faixas do espectro que hoje são licenciadas para o uso televisivo não são efetivamente aproveitadas. Quanto mais em áreas remotas e zonas rurais, o uso desta banda cai drasticamente, deixando canais livres ou pouco utilizados. Fazer o melhor uso destes canais para a comunicação em redes sem interferir nos sinais de TV existentes, é a proposta do padrão IEEE O foco deste documento é uma abordagem sobre o IEEE , que também é conhecido como WRAN. 1. Introdução A sociedade atual tem em mãos uma gama de dispositivos que permitem comunicação em redes sem fio. Muitas dessas tecnologias sem fio usam a banda não licenciada ISM (Industrial, Scientific and Medical), como o caso do WI-FI (IEEE ) e WIMAX (IEEE ). Isto motivou as entidades regulamentadoras, como a FCC (Federal Communications Commission) dos Estados Unidos, a ponderar a abertura de novas bandas para utilização não licenciada. Medições de ocupação no espectro, mostram que bandas licenciadas VHF e UHF para uso de TV, são significativamente subutilizadas e poderiam ser melhor aproveitadas. Usando técnicas de rádio cognitivo, o padrão IEEE , propõe uma comunicação de dados que utilize a mesma banda de TV, sem causar interferência aos serviços legados. Uma proposta que, conseqüentemente, direciona para o mercado uma tecnologia de comunicação de dados sem fio para áreas remotas e zonas rurais. Neste documento, em sua maior parte com referência ao artigo de C. Cordeiro, K. Challapali, D. Birru e S. Shankar [1], será apresentado o IEEE desde seu Histórico (na Seção 2), características (Seção 3) e interfaces físicas e de acesso ao meio (seção 4). 2. Breve Histórico do IEEE Em maio de 2004, a FCC lançou o NPRM (Notice of Proposed Rule Making) FCC [2] que propõe a permissão do uso das bandas de televisão desde que não cause interferência prejudicial ao serviço existente. Por muito tempo as companhias que utilizam estas bandas foram contra o seu compartilhamento com novas tecnologias, justificando a interferência que as mesmas poderiam causar. Hoje, a TV analógica está cedendo todo seu espaço para a TV Digital, permitindo ainda mais o uso de rádios cognitivos na mesma banda.

2 Todos estes eventos, fizeram com que o IEEE (Institute of Eletrical and Eletronics Engineering) se voltasse para tal disponibilidade de banda. Resultando, em novembro de 2004, no grupo de trabalho IEEE WG (Work Group) que tem a tarefa de desenvolver/especificar uma interface wireless baseada em rádios cognitivos para a operação na banda de TV. Até o momento foram aprovados os seguintes PAR s (Project Authorization Request): IEEE , e Hoje, o IEEE , que também é chamado de WRAN (Wireless Regional Area Network), aguarda a liberação da FCC para operar nos Estados Unidos. Segundo a FCC A1 [3], será somente em fevereiro de 2009, quando cessar a mudança de TV analógica para TV digital. Por enquanto, no Brasil ainda não há fontes com previsão do uso de banda de TV com WRAN. 3. Características do WRAN Nesta seção, algumas características do WRAN, como topologia, dispositivos, utilização do espectro, e rádio cognitivo Topologias e Dispositivos WRAN A topologia da rede WRAN, especificada no IEEE , é a ponto-multiponto (P-MP). A estação base (BS - Base Station), é uma antena que fornece sinal de rádio para uma área chamada célula. Dentro da célula, poderão se associar vários equipamentos de clientes à uma BS, chamados de CPE s (Customer Premise Equipment). A cobertura especificada de uma célula de uma BS é de até 33 Km. Mas existe a possibilidade da cobertura chegar em até 100 Km, devido às suas vantagens na freqüência e potência em relação às outras tecnologias wireless. Sendo assim, coloca-se o WRAN no mercado ao lado de tecnologias de acesso ao consumidor final como ADSL e cablemodem. Figura 1. Exemplo de topologia [1] Tanto a BS como o CPE, utilizam faixas de freqüência que não estão ocupadas. A BS se comunica com o CPE no sentido DownStream (DS) e a comunicação do CPE com a BS se faz no sentido UpStream (US). Na Figura 1, uma ilustração de uma topologia WRAN.

3 3.2. WRAN no Espectro Como mencionado anteriormente, a FCC propõe a abertura do espectro para a operação não licenciada em banda de TV baseada em rádios cognitivos. Nos Estados Unidos, as estações de TV operam nos canais 2 a 69 na porção de VHF e UHF. Todos estes canais usam uma banda de 6 MHz, dentro das faixas de espectro: MHz, MHz, MHz e MHz, assim ilustradas na Figura 2. Também está em debate a operação na faixa MHz acomodando largura de banda de 6, 7 e 8 MHz para cumprir exigências regulamentares internacionais. Figura 2. Licenciamento do Espectro pela FCC. [5] O sistema especifica a eficiência espectral na faixa de 0,5 bit por (seg/hz) até o limite de 5 bits por (seg/hz). Considerando uma média de 3 bits por (seg/hz) em um canal de televisão de 6 MHz corresponderia a 18 Mbps. Sendo assim, 12 CPE s no sentido DS permitiria uma largura de banda de 1,5 Mbps. No sentido US é definido o pico de 384 Kbps WRAN e Técnicas de Rádio Cognitivo Um rádio cognitivo sabe utilizar a mesma banda de rádio de outras tecnologias sem interferir uma na outra. Na prática é uma técnica oportunista, onde um canal que não é utilizado em determinado momento significa que é uma chance de usá-lo para sua comunicação. Faz-se uma varredura em todos os canais para o qual é especificado, e através de sensoriamento, seleciona os canais para sua transmissão. Mesmo, durante a comunicação, de tempo em tempo é ativado o sensoriamento, para identificar se alguma comunicação de serviço legado quer usar o canal. O IEEE é a primeira especificação do mundo que utiliza técnicas de rádios cognitivos, onde a comunicação de redes sem fio é feita na mesma banda de TV analógica e digital, concorrendo também com microfones sem fio WRAN e o Modelo OSI Por se tratar de tecnologia de acesso ao meio, o WRAN está relacionado com as camadas Física e de Enlace de Dados no Modelo ISO/OSI, equivalentes às camadas PHY (Physical) e MAC (Medium Access Control) do IEEE. Devido ao CPE ter um comportamento

4 randômico (rádio cognitivo), existe um impacto na concepção PHY e MAC do WRAN em relação com as outras existentes. Mais detalhes da interface IEEE , serão apresentados na próxima seção. 4. Interface IEEE Nesta seção, serão vistos alguns detalhes da especificação da interface IEEE PHY e MAC IEEE PHY A interface PHY do WRAN, deve fornecer alta performance e baixa complexidade. Esta interface deve ter a capacidade de lidar com longos atrasos de propagação de 25 ms a 50 ms, que podem prejudicar a comunicação. Portanto, o PHY deve se ajustar dinamicamente a largura de banda, modulação e codificação, trazendo os seguintes benefícios: CPE próximo a BS desfruta de alta capacidade, e dispositivos distantes se beneficiam de diversidade e multicaminhos. Que, até agora, não muito diferente de outras tecnologias wireless. Uma característica PHY do WRAN é a possibilidade de agregar canais. Originalmente deveria-se oferecer uma largura de banda de 18 Mbps para apenas um canal de TV, mas para garantir esta banda, o PHY permite agregar canais (channel bonding), criando subcanais nos quais cada um pode suportar até 19 Mbps. Existe uma lacuna entre um canal de TV e outro que não são utilizados, e os mesmos são agregados em até três canais na camada PHY. Esta junção de canais é conhecida como canais agregados contíguos, exemplo na Figura 3. Vale ressaltar que o IEEE também especifica a operação do WRAN sobre canais agregados não contíguos. Figura 3. Diagrama simplificado de agregação de canais. [1] A capacidade de agregar canais, faz com que o WRAN possa enviar em TX/RX ao mesmo tempo em canais diferentes. Para tratar melhor essa comunicação são usados os superframes, como serão vistos na próxima subseção.

5 W. Hu, D. Willkomm, L. Chu, M. Abusubaih, J. Gross, G. Vlantis, M. Gerla e A. Wolisz [4], propõem um modo de operação alternativo para o IEEE , chamado DFH (Dynamic Frequency Hopping), onde a comunicação entre CPE e BS é feita por salto de freqüências. Mais especificamente, salto por canais livres, onde, segundo os autores, será possível prover qualidade de serviço (QoS) e melhor comportamento de throughput IEEE MAC O controle de acesso ao meio (MAC) deve ser altamente dinâmico devido às mudanças e agregação de canais. Na interface MAC se encontram mais detalhes de como um frame deve ser transmitido em uma meio WRAN. A novidade é o uso de superframes, que em determinado tempo pela BS, poderão enviar vários frames em DS ou US, utilizando de maneira eficiente os canais agregados (Figura 4). Figura 4. Estrutura geral do Superframe. [1] Quando uma BS é inicializada, a mesma faz uma varredura na banda de TV procurando por canais livres através do sensoriamento. Após detectar os canais livres, faz a agregação dos mesmos e envia os SHCs (Superframe Header Control) de tempos em tempos. Logo, quando um CPE entra na célula da BS, o mesmo faz um mapeamento da banda de TV, procurando por canais livres assim como faz uma BS. Depois de encontrar os canais livres, o CPE aguarda um SHC para iniciar sua transmissão de dados. Se o sentido da transmissão será DS ou US, será determinado pela própria BS. Com medições periódicas, a BS e os CPEs verificam se existem outros sinais de sistemas legados de TV ou microfone sem fio. Sendo assim, adicionando, removendo,

6 suspendendo e associando canais em tempo de operação. Para agilizar, são feitos dois modos de sensoriamento: detecção rápida, e detecção fina: a) Na detecção rápida, a BS silencia a comunicação em um pequeno período de tempo para detectar, por exemplo, uma simples alteração de energia, que pode indicar outro serviço querendo usar o canal. b) Na detecção fina, após a detecção rápida, detalhes de implementação das tecnologias são verificadas com mais detalhes, para garantir que o canal vai ser utilizado por outro serviço e que a comunicação neste canal deve aguardar ou ser cancelada. Um exemplo de detecção rápida e detecção fina, pode ser observado na Figura 5. Figura 5. Métodos de detecção rápida e detecção fina. [1] Com estes algoritmos de implementação do WRAN, não só permitem a Coexistência da WRAN com outras tecnologias, mas também a autocoexistência, onde, por exemplo, uma BS pode coexistir com outra BS na mesma célula. 5. Conclusão Apresentou-se de forma simples como funciona a tecnologia WRAN. Permitindo ao leitor observar que se trata de uma tecnologia em discussão e desenvolvimento e que, possivelmente, em fevereiro de 2009 será uma realidade no mercado norte-americano. A especificação IEEE abriu uma primeira pesquisa em tecnologia em rádios cognitivos, que futuramente poderá ser fonte de novos estudos e idéias a serem utilizadas em novas tecnologias. 6. Referências [1] C. Cordeiro, K. Challapali, D. Birru, e S. Shankar N, IEEE : An Introduction to the First Wireless Standard based on Cognitive Radios, Proceedings of the IEEE International Conference on Dynamic Spectrum Access Networks 2005, Journal of Communications, vol. 1, no. 1, april 2006.

7 [2] Federal Communications Commission (FCC), Notice of Proposed Rule Making, ET Docket no , May 25, [3] Federal Communications Commission (FCC), First Report and Order and Further Notice of Proposed Rule Making, ET Docket no A1, October [4] W. Hu, D. Willkomm, L. Chu, M. Abusubaih, J. Gross, G. Vlantis, M. Gerla, e A. Wolisz, Dynamic Frequency Hopping Communities for Efficient IEEE Operation, IEEE Communications Magazine, Special Issue: Cognitive Radios for Dynamic Spectrum Access, vol. 45, no. 5, May [5] M. Hurst, Radio Scanner Guide. Disponível em: Acesso em: 04 jun

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